Messung der Abtragung von Partikeln aus Staubschichten im elektrischen Feld mit überlagerter Korona

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1 Anzahl der Partikel / l Zeit [s] Messung der Abtragung von Partikeln aus Staubschichten im elektrischen Feld mit überlagerter Korona D. Pieloth, H. Wiggers, P. Walzel PiKo Workshop Dialog Experiment Modell (II) Magdeburg / 5. April 2014

2 Messung der Abtragung von Partikeln aus Staubschichten im elektrischen Feld mit überlagerter Korona 2 Gliederung Motivation Erhöhung der Abscheideleistung von Elektrofiltern Spezifischen Staubwiderstand und das Rücksprühen Experimenteller Aufbau (Messkammer) Abtragung von Partikeln aus Staubschichten Messmethode (Partikelzähler) CFD Simulation der Abtragung (E-Filter) DFG SPP 1486 PiKo Vergleich mit Experimenten Zusammenfassung und Ausblick

3 Motivation 3 Quelle: M. Majid Arbeitsprinzip eines Elektrofilters Abtragung von Partikeln durch Rücksprühen Ziel: Besseres Verständnis der physikalischen Prozesse innerhalb der abgelagerten partikulären Staubschicht um die Abtragung durch das sog. Rücksprühen und Gas-Anströmung zu verhindern. Methode: Einfluss von Schüttguteigenschaften, thermodynamischen und elektrischen Einflussgrößen auf die Abtragung von Partikeln aus Staubschichten. Ablage-Muster infolge von Zellular- Konvektion durch elektrischen Wind

4 Messung 4 Experimenteller Aufbau (Schematische Darstellung)

5 Messung 5 Experimenteller Aufbau (Schematische Darstellung)

6 Messung 6 Staubwiderstandsmesskammer

7 Messung 7 Sprühelektrode Zum Gebläse Queranströmung Sonde Partikelmessgerät Probenteller (Plattenelektrode) Experimenteller Aufbau (Messkammer)

8 Messung 8 Modellstäube: Si0 2 und Al 2 O 3 Industriestäube

9 Motivation 9 Definition des spezifischen Staubwiderstands ρ: Porosität ε Restfeuchte, Morphologie A R = Widerstand (R = U/I) s = Schichtdicke der Probe A = Auflagefläche der Probe ρ = spez. Staubwiderstand ρ U j s j I A ρ = f ( T, ϕ, x d, ε, U,..) Wiggers [2008] ρ j Widerstandskurve von Flugasche mit spezifischen Messströmen bei T d = 34 C, Schichtdicke s = 3,1 mm im Temperaturbereich C

10 Ergebnisse 10 Messung des spez. Staubwiderstands / Einfluss von Umgebungsbedingungen Methode: Platte-Platte, j = 0,5 ma/m 2, negative Polarität an der Sprühelektrode

11 Ergebnisse Messung des spez. Staubwiderstands Thermodynamische und elektrodynamische Ausgleichszeiten 11 Langzeitdriften! Ordnung? Methode: Platte-Platte, j = 0,5 ma/m 2, negative Polarität an der Sprühelektrode

12 Ergebnisse Messung des spez. Staubwiderstands Thermodynamische und elektrodynamische Ausgleichszeiten Langzeitmessungen 12 Annähernd kein Driften! Spez. Widerstand ist von der Schichtdicke abhängig! Die Messung wird nach 16 Stunden elektrische Vorbehandlung gestartet! Messergebnisse nach 16 Stunden: T, T d und Spannung zum erreichen der Zielstromstärke wurden konstant gehalten! Methode: Platte-Platte, j = 0,5 ma/m 2, negative Polarität an der Sprühelektrode

13 Ergebnisse Messung des spez. Staubwiderstands Schüttdichten / Porosität der Staubproben 13 Linearer Zusammenhang zwischen Masse und Schichtdicke! Auftragung der Staubproben auf der Staubelektrode könnte zur Variation der Schüttdichte / Porosität der Schüttschicht führen. Für jede Schichtdicke wurden jeweils 10 Messungen der Masse durchgeführt.

14 Ergebnisse Messung des spez. Staubwiderstands Thermodynamische und elektrodynamische Ausgleichszeiten 14 H 2 O Sorptionskurve Stoffaustauschvorgänge innerhalb von ca. 60 min. abgeschlossen Messungen wurden in einer Sorptionskammer am Lehrstuhl für Thermodynamik, Frau Prof. Sadowski, TU Dortmund, durchgeführt.

15 Ergebnisse Messung des spez. Staubwiderstands Lufttemperatur und Luftfeuchte in der Messkammer 15 Lufttemperatur [ ], C Taupunkt [ ] C rel. Feuchte [%] spez. Staubwiderstand [Ωcm] Messung der Lufttemperatur und Luftfeuchte werden mit einem Taupunktspiegel durchgeführt

16 Ergebnisse 16 Thermodynamische und elektrodynamische Ausgleichszeiten Deutung der Messergebnisse anhand von Elektret-Eigenschaften (Chemical Engineering &Technology, 2014, 37, No. 4, ) Energiebänder: Halbleiter Quelle: Electrets, Hilczer, B., Malecki, J. Energiebänder: Elektret Schichtdickenanhängigkeit und das Langzeitdriften des spez. Staubwiderstands lassen sich mit Elektret-Eigenschaften erklären!

17 Abtragung von Partikeln aus Staubschichten 17 Sprühelektrode Sammler (Kunststoff beschichtet) Sprühelektrode Blasdüse Gebläse X Queranströmung Sonde Partikelmessgerät Probenteller (Plattenelektrode) Probenteller mit Modellstaub Schematische Darstellung Messkammer (Al 2 O 3 ) Experimenteller Aufbau zur Messung der Abtragung von Partikeln

18 Abtragung von Partikeln aus Staubschichten 18 Edelkorund EK Mikro Physikalische Eigenschaften Spez.Gewicht: 3,98 g/cm 3 Schmelzpunkt: 2040 C Schüttgewicht: je nach Korngröße Härte: 9 Mohs Eigenschaften der benutzten Partikeln Chemische Analyse Al 2 O 3 99,70 % TiO 2 0,01 % SiO 2 0,03 % Fe 2 O 3 0,01 % CaO+MgO 0,04 % Mikrokörnung F 400 KGV D 10,3 = 11,03 µm D 50,3 = 19,87 µm D 90,3 = 33,86 µm Muster infolge vom elektrischen Wind (Partikel werden für vergleichende Studien von BTU Cottbus, Prof. Riebel genutzt, Forschungspartner im PiKo-Schwerpuktprogramm)

19 Abtragung von Partikeln aus Staubschichten 19 ohne Anlegung der Spannung zwischen Sprüh- und Plattenelektrode Messverfahren: (Messungen werden bei Umgebungstemperatur und Feuchte durchgeführt und mehrmals für ein Volumenstrom der Luft wiederholt) Schritt 1: Volumenstrom einstellen < Volumenstrom bei dem die (Gebläse einschalten) Abtragung gemessen werden soll -> Abtragung von Partikeln bei Volumenstrom < Volumenstrom mess Schritt 2: Messung der Partikelkonzentration in der Abluft bis annähernd keine Partikeln aus der Staubprobe abgetragen werden (in der Abluft registriert werden). Das Partikelmessgerät zählt die Partikeln (0,5-34 µm, in 32 Größenklassen eingeordnet) -> Anzahl der Partikel / m 3 -> Kann in Konzentration umgerechnet werden (Masse auf Filter) Schritt 3: Volumenstrom auf Volumenstrom mess erhöhen, Messung der Partikelkonzentration (Anzahl) bis annähernd keine Partikel abgetragen werden. Schritt 4: Probe neu auftragen, zu Schritt 1 gehen.

20 Abtragung von Partikeln aus Staubschichten 20 Ohne Anlegung der Spannung zwischen Sprüh- und Plattenelektrode T (in Kammer) = ca. 17 C, rel. Feuchte (in Kammer) ca. 26 % Größere Fluktuationen bei höheren Volumenströmen Vol. Strom 4 = 23,75 m 3 /h (12,22 m/s) Vol. Strom 3 = 18,38 m 3 /h (9,45 m/s) Vol. Strom 2 = 14,98 m 3 /h (7,71 m/s) Vol. Strom 1 = 11,03 m 3 /h (5,67 m/s) Gemittelte Werte der Abtragung (5 Messungen / Volumenstrom)

21 Abtragung von Partikeln aus Staubschichten 21 mit Anlegung der Spannung zwischen Sprüh- und Plattenelektrode Messverfahren: (Messungen werden bei Umgebungstemperatur und Feuchte durchgeführt und mehrmals für ein Volumenstrom der Luft wiederholt) Schritt 0: Spannung einschalten (auf max. mögliche Spannung gehen (18,5 kv)) (hauptsächlich abhängig von der rel. Luftfeuchte). Schritt 1: Volumenstrom einstellen (Gebläse einschalten und bei kleiner Rampe hochfahren) bei dem Abtragung gemessen werden soll (Volumenstrom mess ). Schritt 2: Messung der Partikelkonzentration in der Abluft bis annähernd keine Partikeln aus der Staubprobe abgetragen werden. Schritt 3: Schlagartiges Abschalten der Spannung (keine Korona). Schritt 4: Messung der Partikelkonzentration in der Abluft bis annähernd keine Partikeln aus der Staubprobe abgetragen werden. Schritt 5: Probe neu auftragen, zu Schritt 0 gehen.

22 Abtragung von Partikeln aus Staubschichten 22 Mit Anlegung der Spannung zwischen Sprüh- und Plattenelektrode Strom-Spannung-Charakteristik, Abstand zwischen Elektroden 3,4 cm, T = 17, C rel. Feuchte ca. 26% Ohne Staubschicht auf der Plattenkathode Korona Einsatz bei 9 kv Mit Staubschicht auf der Plattenkathode (Al 2 O 3 Modellstaub, 3 mm) Korona Einsatz bei 8,7 kv

23 Abtragung von Partikeln aus Staubschichten 23 mit Anlegung der Spannung zwischen Sprüh- und Plattenelektrode Abstand zwischen Elektroden 3,4 cm, Al 2 O 3 Modellstaub, 3 mm Schicht, Korona Einsatz bei 8,7 kv Anzahl der Partikel / l Eine höhere Ladungsdichte in der Staubschicht führt zu höheren Haftkräften zwischen den Partikeln. Werden die Staubschichten einem E-Feld mit überlagerter Korona ausgesetzt, so verringert sich die Anzahl der durch die Gas-Anströmung abgetragenen Partikeln mit der Verweilzeit der Probe in der Korona (T=20, C φ 30%, U=18,5 kv). Verfestigung durch Ladungseintrag bis zu einer Grenzladungsdichte (Rücksprühen). Zeit [s] Gemittelte Werte der Abtragung (5 Messungen)

24 Abtragung von Partikeln aus Staubschichten 24 Weitere Ziele: CFD Simulation der Abtragung von Partikeln aus Staubschichten Kooperation mit Prof. E. Schmidt, BU Wuppertal (Kräfte an Einzelpartikeln) Ziel: Gas-Anströmung Heuristischer Ansatz Partikel (hochskaliert) zur Beschreibung der v g = 2 m/s Haftkräfte von Partikeln in einer Staubschicht im x p = 500 µm E-Filter Partikel (hochskaliert) Gas-Anströmung v g = 2 m/s Input: Kräfte an Einzelpartikeln Messdaten aus Abtragung x p = 20 µm ANSYS Fluent Simulation der Abtragung (noch keine interpartikulären Kräfte) Implementierung der interpartikulären Kräfte in CFD Simulation (ANSYS Fluent UDFs)

25 Messung der Abtragung von Partikeln aus Staubschichten im elektrischen Feld mit überlagerter Korona 25 Zusammenfassung und Ausblick Weitere Untersuchung zur Elektret-Eigenschaften von Staubschichten (Einfluss der Schichtdicke und Spannung auf Ausgleichszeiten, Bestimmung der kritischen Stromdichten die zum Rücksprühen führen) Weitere Untersuchungen zur Abtragung von Partikeln aus Staubschichten (Einfluss der Korona-Spannung, Luftfeuchte, Schichtdicke, Anströmung) CFD Simulationen zur Abtragung von Partikeln aus STaubschichten Zusammenarbeit mit Prof. Riebel, BTU Cottbus, Elektret-Eigenschaften Zusammenarbeit mit Prof. Schmidt, BU Wuppertal, Abtragung Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Vielen Dank an die DFG für die finanzielle Unterstützung

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